鄭國(guó)鑫，朱巧玲，莫華蓮，陳 瑩，溫建平

(嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院，廣東 梅州 514015)

0 前 言

目前市面上不粘鍋多數(shù)存在烹飪時(shí)涂層易脫落、清洗不方便、需使用專用鍋鏟、耐高溫能力較差、其高溫還會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)、無(wú)涂層但價(jià)格較昂貴等缺點(diǎn)。部分陶瓷涂層的技術(shù)不夠成熟，一般使用3～6個(gè)月的話涂層容易脫落。針對(duì)以上問題我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款新型復(fù)合材料不粘鍋，根據(jù)不同金屬的優(yōu)異性能復(fù)合得到新型復(fù)合材料不粘鍋。

1 涂層結(jié)構(gòu)不粘鍋簡(jiǎn)介

涂層不粘鍋中特氟龍涂層不粘鍋使用溫度超過260 ℃(550 ℉)會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害物質(zhì)；蜂窩狀涂層不粘鍋是將鍋內(nèi)的涂層做成蜂窩狀，這樣在炒菜的過程中鍋鏟無(wú)法碰觸到蜂窩狀凹陷處的涂層，缺陷是蜂窩狀涂層的不粘效果不理想，同時(shí)使用后清洗不方便[3]；物理涂層不粘鍋是提高內(nèi)壁材料的表面致密程度和表面平整度，或直接使用高硬度、高強(qiáng)度的材料，制造工藝較復(fù)雜成本高[4]；“鈦合金涂層”、“鉆石涂層”、“藍(lán)寶石涂層”不粘鍋，用鈦合金微粒、鉆石微粒、藍(lán)寶石微粒等超級(jí)堅(jiān)硬的材料用等離子高溫工藝混合納米材料噴涂在鍋體上，極大提高了涂層的防刮和耐磨度，但是成本十分高導(dǎo)致價(jià)格十分昂貴[5]。

綜上所述，現(xiàn)在市面上涂層不粘鍋的概況以及存在的問題主要是涂層易脫落、更換較頻繁以及價(jià)格昂貴等。

2 新型復(fù)合材料在鍋具制作的應(yīng)用

2.1 復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能、不同形態(tài)的材料通過加工工藝復(fù)合。復(fù)合材料既能保持原材料的主要性能，又能通過復(fù)合效應(yīng)與協(xié)同效應(yīng)獲得單一原材料不具備的性能，克服單一材料的缺點(diǎn)，從而滿足各種不同的需求。

針對(duì)不粘鍋多數(shù)存在烹飪時(shí)涂層易脫落、清洗不方便、需使用專用鍋鏟、耐高溫能力較差、價(jià)格較昂貴、其高溫還會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)等缺點(diǎn)，以復(fù)合材料為基本設(shè)計(jì)思路，通過復(fù)合具有優(yōu)良特性的不同金屬材料，使不粘鍋達(dá)到無(wú)涂層而不粘，烹飪溫度高，煎炒一體，節(jié)能耐用且價(jià)格實(shí)惠等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。研究時(shí)將不同金屬材料的導(dǎo)熱性、硬度、密度、表面相對(duì)摩擦系數(shù)、耐腐蝕性、反光度、膨脹系數(shù)等多方面特性進(jìn)行測(cè)量和比較，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取相應(yīng)的金屬進(jìn)行復(fù)合，研發(fā)不粘性好、硬度高、導(dǎo)熱快、質(zhì)量輕、綜合性能優(yōu)越的不粘鍋，具有良好的市場(chǎng)前景。

2.2 復(fù)合材料選取

根據(jù)實(shí)際需要鍋具鍋底內(nèi)表面應(yīng)具有較高的硬度、較低的摩擦系數(shù)，鍋體要具有良好的導(dǎo)熱性和外觀質(zhì)量。通過對(duì)材料進(jìn)行分析檢測(cè)，選取的材料均為日常生活中廣泛使用的，又安全健康、獲取途徑廣泛等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)金屬材料進(jìn)行加工處理，其中使用金工銑床、電火花線切割機(jī)床、金屬打磨棒，再測(cè)量金屬材料的導(dǎo)熱性、硬度、密度、反光度、表面相對(duì)摩擦系數(shù)等各項(xiàng)物理性質(zhì)。根據(jù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算并檢測(cè)多種不同特性的金屬材料。選取鍋具基本材料時(shí)的考慮因素有導(dǎo)熱性良好可以使鍋具較快達(dá)到高溫從而提高能源利用率；硬度則是使得不粘鍋更加耐磨使用年限更長(zhǎng)久的關(guān)鍵；密度直接關(guān)系到產(chǎn)品的重量，更輕盈的產(chǎn)品會(huì)更受人們的青睞；相對(duì)摩擦系數(shù)越小，則更能達(dá)到不粘的效果。

2.2.1 相對(duì)摩擦系數(shù)測(cè)量

不粘鍋表面材料摩擦系數(shù)的影響不粘鍋的不粘效果，因此，我們對(duì)金屬材料不銹鋼、鋁、鑄鐵、鐵的摩擦系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

對(duì)金屬材料不銹鋼、鋁、鑄鐵、鐵進(jìn)行測(cè)試重力G、實(shí)驗(yàn)、錄制視頻；利用電腦繪聲繪影軟件對(duì)視頻每一幀進(jìn)行分解，得到動(dòng)摩擦力大小F；再利用公式F=μG，得到相對(duì)摩擦系數(shù)的大小。

物塊的質(zhì)量M物=144.154 g，砝碼質(zhì)量M砝碼=200 g，得出物體總重力G=3.37 N。

根據(jù)表1比較，相對(duì)摩擦系數(shù)從大到小依次為鋁、不銹鋼、鐵、鑄鐵。由結(jié)果所知鑄鐵最為摩擦系數(shù)最小容易達(dá)到不粘的效果，鋁的摩擦系數(shù)最大。

表1 金屬材料的相對(duì)摩擦系數(shù)

2.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量(見表2～3)

對(duì)比金屬材料上下表面的溫度差來(lái)比對(duì)材料的導(dǎo)熱性能。

表2 金屬材料直徑的測(cè)試數(shù)據(jù) 單位：mm

表3 金屬材料厚度h測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果 單位：mm

實(shí)驗(yàn)中對(duì)不銹鋼、鋁、鐵進(jìn)行加熱，在考慮金屬圓柱體的側(cè)面散熱面積近似相同后，測(cè)量材料上下表面的溫度；利用公式ΔT=T上-T下，對(duì)比三種金屬材料的上下表面溫差大小。

當(dāng)加熱盤加熱到設(shè)定的75 ℃時(shí)，每min記錄一次散熱盤的溫度值，見表4。

表4 散熱盤溫度測(cè)量值 單位：℃

根據(jù)表4可知，鋁在10 min后穩(wěn)定的溫度為68.8 ℃，不銹鋼在10 min后穩(wěn)定的溫度為66.6 ℃，鐵在10 min后穩(wěn)定的溫度為65.3 ℃。

根據(jù)表2～3及公式S=πdh,得三種材料的散熱面積如表5。

表5 金屬材料散熱面積 單位：m2

實(shí)驗(yàn)是為了測(cè)量測(cè)試材料上下表面的溫差來(lái)體現(xiàn)其相對(duì)導(dǎo)熱性。由此，我們對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，上下表面溫差△=上表面溫度(設(shè)定溫度)-下表面溫度(散熱盤穩(wěn)定溫度)，結(jié)果如表6。

表6 金屬材料的上下表面溫差 單位：℃

根據(jù)上下表面溫差越小說明導(dǎo)熱系數(shù)越大，在誤差允許范圍內(nèi)，材料散熱面積近似相等的條件下，得出：不銹鋼、鋁、鐵的相對(duì)導(dǎo)熱性由大到小為：鋁、不銹鋼、鐵。

2.2.3 密度測(cè)量

表7 金屬材料密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過表7數(shù)據(jù)可得，不銹鋼、鋁、鐵的密度由大到小為：不銹鋼、鐵、鋁。故鋁的密度最小。

綜上所述，對(duì)比所選取的金屬材料中，鑄鐵的相對(duì)摩擦系數(shù)最小可作為鍋具的內(nèi)表面材料，鋁的導(dǎo)熱性最好、密度最小可作為鍋具的鍋體材料。

3 新型復(fù)合材料不粘鍋制作工藝

3.1 制作工藝

金屬?gòu)?fù)合方式主要有嵌入式復(fù)合法、壓焊、激光焊接機(jī)、熔焊、爆炸復(fù)合法、粉末冶金法等，為了保證鍋具的使用安全，我們采用的是嵌入式復(fù)合法，嵌入式復(fù)合法指的是最大程度避免了對(duì)金屬進(jìn)行高溫高壓處理，而只是進(jìn)行物理復(fù)合將金屬結(jié)合到一起，在保持金屬性能的穩(wěn)定性的同時(shí)完成一款由金屬材料復(fù)合而成并集齊多種優(yōu)點(diǎn)的成品不粘鍋[6]。

3.2 制作過程

實(shí)驗(yàn)通過電火花線切割機(jī)床、銑床鉆孔、精細(xì)打磨、熔煉銜接、陽(yáng)極氧化處理等技術(shù)對(duì)選定的適宜的材料進(jìn)行加工、組合和處理。在此之前已經(jīng)完成對(duì)原材料進(jìn)行切割、打磨，該項(xiàng)目在前期工作中已經(jīng)取得了成果，證明兩種材料得復(fù)合可行性。

鉚入式復(fù)合在前期試驗(yàn)材料選取完成下，經(jīng)過外觀處理、質(zhì)量檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)過程，得到新型復(fù)合材料不粘鍋的試驗(yàn)成果如圖1～2，鍋底采用紋理樣式使鍋具進(jìn)一步達(dá)到不粘的效果，其中該不粘鍋的重量為3 kg，外直徑為19.5 cm，內(nèi)直徑為19.1 cm，鍋底鋁片直徑為14 cm。利用電腦軟件畫結(jié)構(gòu)圖如圖3，在球墨鑄鐵的外底部挖空一塊圓形區(qū)域，把導(dǎo)熱性良好的鋁片放置其中，再用三枚鉚釘呈三角形將其與球墨鑄鐵固定在一起。

圖1 鉚入式復(fù)合正面圖

圖2 鉚入式復(fù)合背面圖

圖3 鉚入式復(fù)合結(jié)構(gòu)圖

嵌入式復(fù)合在前期試驗(yàn)材料選取完成下，經(jīng)過外觀處理、質(zhì)量檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)過程，得到新型復(fù)合材料不粘鍋的試驗(yàn)成

果如圖4～5，鍋底采用細(xì)致的紋理使鍋具進(jìn)一步達(dá)到不粘的效果，其中不粘鍋的重量為1 kg，外直徑為19.5 cm，內(nèi)直徑為19.1 cm，鍋底鋁片直徑為14 cm。

圖4 嵌入式復(fù)合正面圖

圖5 嵌入式復(fù)合背面圖

如圖6為不粘鍋的截面結(jié)構(gòu)圖，首先將不粘鍋的外底加工出一個(gè)圓形區(qū)域，并且邊上加工出凹槽，具體如圖所示，便于鋁合金的嵌入。

圖6 嵌入式復(fù)合結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)不同金屬材料的特性進(jìn)行反復(fù)測(cè)量我們找到較優(yōu)的材料進(jìn)行組合，以達(dá)到無(wú)涂層而不粘的效果，不僅解決了市面上不粘涂層的弊端，而且更加輕盈、聚能、耐用、節(jié)能，并且能達(dá)到無(wú)涂層而不粘、節(jié)能耐用、健康等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)涂層不粘鍋的不粘性。

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